CN107605539B - 热传递装置和相关的涡轮翼型件 - Google Patents

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Abstract

各种实施例包括热传递装置，而其它实施例包括涡轮部件。在一些情况下，装置可包括：主体部分，其具有内表面和外表面，内表面限定内部区域；在主体部分中的至少一个孔，至少一个孔被定位成将流体从内部区域导向通过主体部分；以及形成于主体部分的外表面中的至少一个流体接纳特征，至少一个流体接纳特征被定位成接纳来自至少一个孔的冲击后流体，其中，至少一个孔不限定至少一个流体接纳特征的任何部分，并且至少一个流体接纳特征将位于冲击错流区域内的相对较低速度的流体与相对较高速度的冲击后流体隔离。

Description

热传递装置和相关的涡轮翼型件
技术领域
本公开涉及热传递。更具体地讲，本发明涉及用于传递来自诸如涡 轮翼型件的制品的热的热传递装置和方法。
背景技术
涡轮系统被持续地改进以增加效率并降低成本。一种用于增加涡轮 系统的效率的方法包括增加涡轮系统的操作温度。然而，长时间在高温 下操作常常需要使用能够经受这些条件的更新的材料。
除了改变部件材料和涂层之外，增加涡轮部件的温度能力的一种常 见方法包括使用冲击冷却。冲击冷却通常包括将冷却流体导向通过制品 的内部区域内的一个或多个孔，冷却流体接触(即，冲击)制品的内表面， 继而冷却制品。在冲击制品的内表面之后，冲击后流体通常被导向远离 受冲击表面，从而在内部区域内形成错流(cross flow)。
通常，错流包括较高速度的冲击后流体和在壁射流之间且邻近壁射 流的较低速度流体，冲击后流体在本领域中称为冲击后壁射流。较高速 度流体和较低速度流体的混合通常以低效的方式发生，并且在错流中造 成相对较大的压力损失，例如，错流具有相对较低的压头，以提供诸如 附加或顺序冲击冷却的附加功能。相对较低的压头可能需要额外的冷却 空气，这是不期望的。
发明内容
各种实施例包括热传递装置，而其它实施例包括诸如翼型件的涡轮 部件。在一些情况下，装置可包括：主体部分，其具有内表面和外表面， 内表面限定内部区域；在主体部分中的至少一个孔，至少一个孔被定位 成将流体从内部区域导向通过主体部分；以及形成于主体部分的外表面 中的至少一个流体接纳特征，至少一个流体接纳特征被定位成接纳来自 至少一个孔的冲击后流体，其中，至少一个孔不限定至少一个流体接纳 特征的任何部分，并且至少一个流体接纳特征将位于冲击错流区域内的 相对较低速度的流体与相对较高速度的冲击后流体隔离。
本公开的第一方面包括一种装置，该装置具有：主体部分，其具有 内表面和外表面，内表面限定内部区域；在主体部分中的至少一个孔， 至少一个孔被定位成将流体从内部区域导向通过主体部分；以及形成于 主体部分的外表面中的至少一个流体接纳特征，至少一个流体接纳特征 被定位成接纳来自至少一个孔的冲击后流体，其中，至少一个孔不限定 至少一个流体接纳特征的任何部分，并且至少一个流体接纳特征将位于 冲击错流区域内的相对较低速度的流体与相对较高速度的冲击后流体隔 离。
根据本发明的一个实施例，至少一个流体接纳特征还包括流体导向 特征。
根据本发明的一个实施例，流体导向特征形成于流体接纳特征内。
根据本发明的一个实施例，流体导向特征包括定位在流体接纳特征 的开口内的导向叶。
根据本发明的一个实施例，流体导向特征将冲击后流体导向到流体 接纳特征内。
根据本发明的一个实施例，流体导向特征将冲击后流体导向远离至 少一个孔。
根据本发明的一个实施例，至少一个孔相对于主体部分的外表面成 在75°和89°之间的角度。
根据本发明的一个实施例，至少一个孔在错流方向上成角度。
根据本发明的一个实施例，装置还包括与每个孔对齐的一级喇叭口， 一级喇叭口被定位成将流体导向到与一级喇叭口对齐的孔中。
根据本发明的一个实施例，装置还包括不与至少一个孔对齐的二级 喇叭口，二级喇叭口被定位成将流体导向到至少一个孔中。
根据本发明的一个实施例，二级喇叭口被定位成将流体导向到不与 二级喇叭口对齐的至少两个孔中。
根据本发明的一个实施例，至少一个流体接纳特征将冲击后流体的 至少一部分向后导向通过至少一个孔。
根据本发明的一个实施例，流体接纳特征减少由离开至少一个孔的 流体产生的错流。
根据本发明的一个实施例，至少一个流体接纳特征由主体部分部分 地封闭。
本公开的第二方面包括一种涡轮部件，该涡轮部件具有：主体部分， 其具有内表面和外表面，内表面限定内部区域，其中，内部区域包括具 有第一容积的第一组通道和与第一组通道流体地联接的第二组通道，第 二组通道具有不同于第一容积的第二容积；以及在主体部分中的至少一 个孔，至少一个孔被定位成将流体从第二组通道通过主体部分导向至外 表面。
根据本发明的一个实施例，涡轮部件包括涡轮翼型件。
根据本发明的一个实施例，涡轮部件还包括联接管道，联接管道连 接第一组通道中的每一者与第二组通道中的相邻者。
根据本发明的一个实施例，涡轮部件还包括出口管道，出口管道连 接第二组通道中的一个与至少一个孔。
根据本发明的一个实施例，联接管道相对于出口管道成角度。
本公开的第三方面包括一种装置，该装置具有：主体部分，其具有 内表面和外表面，内表面限定内部区域；在主体部分中的至少一个孔， 至少一个孔被定位成将流体从内部区域导向通过主体部分；以及形成于 主体部分的外表面中的至少一个流体接纳特征，至少一个流体接纳特征 被定位成接纳来自至少一个孔的冲击后流体；其中，至少一个流体接纳 特征将位于冲击错流区域内的相对较低速度的流体与相对较高速度的冲 击后流体隔离。
附图说明
图1是根据本公开的各种实施例的制品的前透视图。
图2是根据本公开的各种实施例的图1的制品在方向2-2上截取的 剖视图。
图3是根据本公开的各种实施例的装置的透视图。
图4是根据本公开的各种实施例的装置的一部分的后透视图。
图5是制品的一部分的前透视图，显示了根据本公开的各种实施例 的制品内的流动剖面。
图6是根据本公开的各种实施例的图5所示流动剖面的俯视图。
图7是根据本公开的各种附加实施例的图5所示流动剖面的俯视图。
图8是现有技术装置内的流动剖面的示意图。
图9是制品的一部分的前透视图，显示了根据本公开的各种附加实 施例的制品内的流动剖面。
图10是根据本公开的各种附加实施例的图9所示流动剖面的俯视图。
图11是根据本公开的各种附加实施例的图9的制品在方向11-11上 截取的剖视图。
图12是根据本公开的各种附加实施例的制品内的装置的剖视图。
图13是根据本公开的各种实施例的图12的装置的透视图。
图14是根据本公开的各种实施例的制品的部段的透视图。
图15显示了根据本公开的各种实施例的图14的制品穿过图14中描 绘的截面A-A的剖视图。
图16显示了根据本公开的各种实施例的图14的制品内的流体通路 的示意图。
图17显示了根据本公开的各种实施例的图14中描绘的制品的一部 分穿过图16中描绘的截面B-B的近距离立体剖视图。
图18显示了根据本公开的各种实施例的图17中的制品穿过截面C-C 的立体剖视图。
图19显示了图14的制品的一部分的剖开透视图，进一步示出了在 制品内的流动特性。
在任何可能的情况下，将在所有附图中使用相同的附图标记来表示 相同的部件。本公开的各种实施例的其它特征和优点将从结合附图的以 下更详细的描述显而易见，附图以举例方式示出了本公开的各个方面。
具体实施方式
本公开的各种实施例包括用于冷却制品的装置，而其它实施例包括 冷却制品的方法。例如，相比未能包括本文所公开的特征中的一个或多 个的概念，本公开的实施例增加冷却效率，减少错流，减少错流劣化， 减少压力损失，以减少的压降提供增加的热传递，有利于再利用冷却流 体，有利于系列冲击冷却，增加制品寿命，有利于使用增加的系统温度， 增加系统效率，或它们的组合。
图1-3示出了制品100(图1-2)和定位在制品100内的装置200(图 2-3)的一个实施例。制品100和/或装置200根据任何合适的制造方法形 成。合适的制造方法包括但不限于铸造、加工、增材制造、或它们的组 合。例如，装置200的增材制造可包括直接金属激光熔融(DMLM)、直接 金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔融(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、 熔合沉积成型(FDM)、任何其它增材制造技术、或它们的组合。
参看图1，在一个实施例中，制品100包括但不限于涡轮动叶101(或 叶片)。在各种实施例中，涡轮动叶101被构造成安装在诸如燃气涡轮和 蒸汽涡轮的涡轮系统中，并且可以是在特定级中的一组涡轮动叶101中 的一个。如图所示，涡轮动叶101具有根部部分110、与根部部分110 联接的平台120和与平台120联接的翼型件部分130。根部部分110被 构造成将涡轮动叶101固定在涡轮系统内，例如，固定到转子叶轮，如 本领域已知的。另外，根部部分110被构造成接纳来自涡轮系统的流体 (例如，热传递流体)，并且将流体导向到翼型件部分130中。
转到图2-3，装置200包括主体部分201，主体部分201具有内表面 203、与内表面相对的外表面205、以及在内表面203和外表面205之间 延伸的至少一个孔207。主体部分201还可包括形成于其中的至少一个 流体接纳特征209。在各种实施例中，所述至少一个孔207不限定所述 至少一个流体接纳特征209的任何部分，即，它们是单独的部件。装置 200的内表面203限定内部区域204(例如，诸如内部通槽或室)，其中， 内部区域204被构造成在其中接纳热传递(例如，冷却)流体。当装置200 被定位在制品100内时，如图2所示，装置200的外表面205面向制品 100的内壁103，从而限定在外表面205和内壁103之间的外部区域 206(例如，诸如通槽或室)。
所述至少一个孔207被定位成允许流体从内部区域204流过主体部 分201且进入外部区域206。(多个)孔207中的至少一个被构造(例如， 定位)成将热传递(例如，冷却)流体从内部区域204朝制品100的内壁 103导向。另外或备选地，喷嘴208形成于(多个)孔207中的至少一个 上方，喷嘴208从主体部分201的外表面205(朝内壁103)延伸以延伸和 /或改变离开(多个)孔207的热传递(例如，冷却)流体的流动路径。(多 个)喷嘴208可具有任何合适的高度(从外表面延伸)和/或几何形状，该 高度和/或几何形状可以与其它(多个)喷嘴208中的每一个相同、基本上 相同或不同。
参看图4，在一个实施例中，至少一个喇叭口(bellmouth)400形 成于主体部分201的内表面203上。(多个)喇叭口400中的每一个流体 地联接到孔207中的一个或多个并且被构造成将热传递(例如，冷却)流 体从内部区域204导向至联接到该喇叭口的(多个)孔207。在另一个实 施例中，喇叭口400的倾斜的、梯级的和/或倒圆的入口有利于流体流过 其中，这相比不带有入口特征或过渡部的其它孔减少了孔207的入口损 失。
另外或备选地，两个或更多个喇叭口400可以联接到每个孔207。 例如，所述至少一个喇叭口400可包括一级喇叭口401和至少一个二级 喇叭口402。一级喇叭口401与孔207中的一个对齐并且被构造成将热 传递(例如，冷却)流体从内部区域204直接导向至与其对齐的孔207。 二级喇叭口402邻近一个或多个一级喇叭口401并且被构造成将热传递 (例如，冷却)流体从内部区域204导向至不与该二级喇叭口对齐的至少 一个孔207。每个二级喇叭口402可以为多个孔207进料和/或孔207中 的一个可以由多个二级喇叭口402进料。通过将孔207联接到多个喇叭 口400，在一个喇叭口400变得部分或完全堵塞时，来自其它喇叭口400 的热传递(例如，冷却)流体补充和/或代替来自堵塞的喇叭口的热传递 (例如，冷却)流体，这有利于使用具有减小的内径405的孔207。
如图5所示，离开(多个)孔207和/或(多个)喷嘴208(图4)的热传 递(例如，冷却)流体接触内壁103(仅部分地示出)，这提供了对制品 100(图2)的冲击冷却。在离开(多个)孔207和/或(多个)喷嘴208时， 热传递(例如，冷却)流体形成从外表面205朝内壁103行进的冲击前 (pre-impingement)流体流501。在接触内壁103时，冲击前流体流501 形成沿着内壁103行进的冲击流体流503。冲击流体流503接着形成冲 击后(post-impingement)流体流505，冲击后流体流505从内壁103 向后朝装置200的外表面205行进。
本领域的技术人员应当理解，在接触内壁103时，来自(多个)孔207 和/或(多个)喷嘴208中的每一者的冲击前流体流501形成沿着内壁103 行进的多个冲击流体流503。参看图5和图6，多个冲击流体流503大体 上显示为相对于外部区域206中的错流方向515(横跨外表面205的流体 流的方向)的垂直冲击流体流510或平行冲击流体流520。不受理论的束 缚，相信在相对或基本上相对的方向上行进的两个或更多个冲击流体流 503的相互作用生成喷泉区域(fountain region)或壁射流(wall jet)， 其形成远离制品100的内壁103行进的冲击后流体流505。例如，来自 孔207和/或喷嘴208中的一个的在第一方向上行进的冲击流体流503可 以与来自另一个孔207和/或喷嘴208的在相对的第二方向上行进的冲击流体流503相互作用，其中在相对的方向上行进的冲击流体流503的相 互作用在孔207和/或喷嘴208之间生成壁射流。当在相对的方向上行进 的多个冲击流体流503相互作用时，它们可以形成多个壁射流，所述多 个壁射流可以大体上垂直于或大体上平行于错流方向515。
转到图5-7，所述一个或多个流体接纳特征209被构造成接纳来自 冲击后流体流505中的至少一者的冷却流体。在一个实施例中，例如， 所述一个或多个流体接纳特征209被构造成接纳冲击后流体流505。在 另一个实施例中，如图5-6所示，流体接纳特征209被部分地封闭在主 体部分201内，例如，使得流体接纳特征209至少部分地形成于主体部 分201内。当部分地封闭在主体部分201内时，流体接纳特征209包括 穿过外表面205的开口507，其中开口507具有相比流体接纳特征209 减小的(更小的)尺寸。在另一个实施例中，流体接纳特征209保持或基 本上保持穿过开口507的冲击后流体流505。如本文所用，术语“保持”可表示进入流体接纳特征209的冲击后流体505中的至少95％保持在其 中(例如，在冲击流已离开之后)。另外，如本文所用，术语“基本上保 持”可表示进入流体接纳特征209的冲击后流体505中的至少80％保持 在其中。在其它实施例中，在穿过开口507之后保持在流体接纳特征209 内的冲击后流体505的量为至少50％、至少60％、至少70％、至少75％、 在60％和80％之间、在70％和80％之间、或它们的任何组合、子组合、范 围或子范围。
在另一个实施例中，如图7所示，流体接纳特征209形成于主体部 分201中但不被主体部分201封闭。当不被主体部分201封闭时，冲击 后流体505进入流体接纳特征209，在其中被重新导向，并且在除了垂 直于冲击前流体流501之外的方向上离开流体接纳特征209。相比之下， 现有冲击冷却装置(其示例在图8中示出)的冲击后流体流505接触外表 面205，沿着外表面205行进，然后在大体上垂直的方向上与冲击前流 体流501相交801。相比这种现有技术构型，通过保持、基本上保持和/ 或重新导向冲击后流体流505，根据本文所公开的实施例中的一个或多 个形成的(多个)流体接纳特征209减少在外部区域206中的错流，减小 冲击前流体流501的压降和/或劣化，或它们的组合。即，(多个)流体接 纳特征209可将位于冲击错流区域(外部区域206)内的相对较低速度的 流体与相对较高速度的冲击后流体505隔离。减少的错流和/或减小的压 降可增加冷却效率，有利于使用增加的系统温度，增加系统效率，或它 们的组合。
返回到图5-7，在一个实施例中，流体接纳特征209包括诸如通槽或凹陷部的流体导向特征530。在另一个实施例中，流体导向特征530包括形成于流体接纳特征209内的突起531。例如，突起531可包括凸起部分，其从流体接纳特征209的表面延伸且具有用于导向进入流体接纳特征209的流体的任何合适的几何形状。一种合适的几何形状包括三角形和/或半圆形凸起部分。其它合适的几何形状包括但不限于多边形、椭圆形、倒圆的、或它们的组合。在另一个实施例中，如图9-10所示，流体导向特征530包括定位在流体接纳特征209的开口507内的导向叶（turning vane）931。导向叶931接纳冲击后流体流505并且将流导向到具有所需流路径的流体接纳特征209内。在这些实施例中，如结合图5-7所讨论的，(多个)流体接纳特征209(包括例如流体导向特征530)可将相对较高速度的冲击后流体505与在冲击错流区域(外部区域206)内的相对较低速度的流体(冲击前流体流501)隔离。
另外或备选地，(多个)孔207和/或(多个)喷嘴208可以被构造成将 流体导向到流体接纳特征209内。例如，在一个实施例中，如图11所示， 延伸穿过喷嘴208的通道1103相对于主体部分201的外表面205成角度。 在另一个实施例中，通道1103的角度1105将流体在错流方向515上部 分地导向。通道1103的角度1105包括除了垂直(即，相对于外表面205 为90°)之外的任何合适的角度，以将冷却流体朝制品100的内壁103 导向。通道1103相对于外表面205的合适的角度1105包括但不限于在 60°和89°之间、在70°和89°之间、在70°和85°之间、在75°和 89°之间、在75°和85°之间、在75°和80°、或它们的任何组合、 子组合、范围或子范围。此外，(多个)孔207可以类似地成角度且带有 或不带有定位在其上方的喷嘴208。
相比将冲击前流体流501垂直于或基本上垂直于错流方向515导向 的与外表面205垂直的通道1101，通道1103的角度1105将冲击前流体 流501在错流方向515上导向。通过将冲击前流体流501的一部分在错 流方向515上导向，通道1103的角度1105增加冲击前流体流501和冲 击后流体流505两者在错流方向515上的流体速度。在另一个实施例中， 冲击后流体流505的增加的流体速度增加了在流体接纳特征209内的流 体速度，这又夹带了远离离开(多个)孔207和/或(多个)喷嘴208的流体 射流的错流。
在某些实施例中，在接纳冲击后流体流505之后，(多个)流体接纳 特征209将流导引至制品100和/或装置200内的一个或多个预定位置。 例如，在一个实施例中，(多个)流体接纳特征209可以将接纳在其中的 冲击后流体导引至制品100中的一个或多个薄膜冷却孔眼104(例如，与 制品的外表面齐平地或基本上齐平地形成的薄膜冷却孔眼，例如，图1 和图2)。在另一个实施例中，(多个)流体接纳特征209导引冲击后流体 以用于重新使用和/或系列冲击冷却构型。
虽然本文主要结合涡轮动叶进行描述，但制品100和装置200不限 于此，并且可包括任何其它合适的制品和/或装置。例如，在一个实施例 中，如图12-13所示，制品100包括涡轮壳1201，并且装置200包括(例 如，弯曲的和/或圆柱形的)冲击套管1203。冲击套管1203可包括形成 于其中的多个孔207，其中孔207被构造成将冷却流体朝围绕冲击套管1203的涡轮壳1201导向。另外，圆柱形冲击套管1203可包括形成于其 外表面205中的流体接纳特征209中的一个或多个。孔207被构造成将 热传递(例如，冷却)流体从冲击套管1203的弯曲外表面205导向至涡轮 壳1201的弯曲表面，以形成向后导向到冲击套管1203中的流体接纳特 征209内的壁射流。其它合适的制品包括但不限于中空部件、热气体路 径部件、护罩、喷嘴、静叶、或它们的组合。对于任何其它合适的制品， 装置200的几何形状被选择成有利于装置200在制品100内的定位。
图14显示了根据各种实施例的制品(涡轮部件，例如涡轮翼型 件)1400的一部分的示意透视图。图15显示了穿过线A-A的部件1400 的剖视图。如图所示，涡轮部件1400包括主体部分1402，主体部分1402 具有内表面1404和外表面1406，其中内表面1404限定内部区域1405。 内部区域1405可包括具有第一容积的第一组通道1410和与第一组通道 1410流体地联接的第二组通道1408，其中第二组通道1408具有不同于 第一容积的第二容积。通道1408和1410在图16中示意性地显示为隔离 的，这示出了在这些通道1408、1410之间的流体连接(例如，在通道1408、 1410之间的空间关系和互连)。图17示出了涡轮部件1400(例如，翼型 件)的一部分从图15中的线B-B观察的近距离视图，而图18显示了涡轮 部件1400从图17中的线C-C观察的剖视图。图19显示了图14的涡轮 部件1400的一部分的剖开透视图，进一步示出了在涡轮部件1400内的 流动特性。参照图14-18，涡轮部件1400显示为还包括在主体部分1402 中的至少一个孔1412，其中(多个)孔1412被定位成将流体(例如，热传 递流体)导向通过管道1416并且冲击到内表面1404。
在一些情况下，涡轮部件1400(例如，涡轮翼型件)还包括至少一个 联接管道1414，其连接第一组通道1410中的每一者与第二组通道1408 中的相邻者。根据各种实施例，热传递流体行进通过管道1416，冲击到 内表面1404，沿着表面1404行进，然后作为冲击后流在一个或多个壁 射流中远离表面1404行进，如本文所述。一个或多个联接管道1414可以定位成收集并隔离高速冲击后流与相对较低速度的错流，并且将相对 较高速度的流导引至第二组通道1408中。
虽然已结合一个或多个实施例描述了本发明，但本领域的技术人员 将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种更改并可用等 同物替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明实质范围的情况下，基 于本发明的教导可进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发 明意图不限于作为实现本发明构思到的最佳方式而公开的特定实施例， 本发明还将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。此外，在具体 实施方式中标示的所有数值应被解释为好像精确值和近似值均被明确地 标示。

Claims (14)

1.一种热传递装置，包括：
主体部分，其具有内表面和外表面，所述内表面限定内部区域；
在所述主体部分中的至少一个孔，所述至少一个孔被定位成将流体从所述内部区域导向通过所述主体部分；以及
至少一个流体接纳特征，其形成于所述主体部分的所述外表面中，所述至少一个流体接纳特征被定位成接纳来自所述至少一个孔的冲击后流体；
其中，所述至少一个孔不限定所述至少一个流体接纳特征的任何部分，并且所述至少一个流体接纳特征将位于冲击错流区域内的相对较低速度的流体与相对较高速度的冲击后流体隔离。
2.根据权利要求1所述的热传递装置，其中，所述至少一个流体接纳特征还包括流体导向特征。
3.根据权利要求2所述的热传递装置，其中，所述流体导向特征形成于所述流体接纳特征内。
4.根据权利要求2所述的热传递装置，其中，所述流体导向特征包括定位在所述流体接纳特征的开口内的导向叶。
5.根据权利要求2所述的热传递装置，其中，所述流体导向特征将所述冲击后流体导向到所述流体接纳特征内。
6.根据权利要求2所述的热传递装置，其中，所述流体导向特征将所述冲击后流体导向远离所述至少一个孔。
7.根据权利要求1所述的热传递装置，其中，所述至少一个孔相对于所述主体部分的所述外表面成在75°和89°之间的角度。
8.根据权利要求7所述的热传递装置，其中，所述至少一个孔在错流方向上成角度。
9.根据权利要求1所述的热传递装置，还包括与每个孔对齐的一级喇叭口，所述一级喇叭口被定位成将流体导向到与所述一级喇叭口对齐的所述孔中。
10.根据权利要求9所述的热传递装置，还包括不与所述至少一个孔对齐的二级喇叭口，所述二级喇叭口被定位成将流体导向到所述至少一个孔中。
11.根据权利要求10所述的热传递装置，其中，所述二级喇叭口被定位成将流体导向到不与所述二级喇叭口对齐的至少两个孔中。
12.根据权利要求1所述的热传递装置，其中，所述至少一个流体接纳特征将所述冲击后流体的至少一部分向后导向通过所述至少一个孔。
13.根据权利要求1所述的热传递装置，其中，所述流体接纳特征减少由离开所述至少一个孔的所述流体产生的错流。
14.根据权利要求1所述的热传递装置，其中，所述至少一个流体接纳特征由所述主体部分部分地封闭。
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